超声波用于GIS局部放电检测探讨

穆　强，喻勇丽

（湖南五凌电力工程有限公司，湖南 长沙 410004）

超声波用于GIS局部放电检测探讨

穆强，喻勇丽

（湖南五凌电力工程有限公司，湖南 长沙 410004）

摘要：随着GIS变电站数量的增多，GIS设备发生故障的几率也在增加。研究表明，GIS设备内部故障以绝缘性故障为多。GIS设备的局部放电往往是绝缘性故障的先兆和表现形式，GIS设备中放电使SF6气体分解，严重影响电场分布，导致电场畸变，绝缘材料腐蚀，最终引发绝缘击穿。实践证明，开展局部放电检测可以有效避免GIS事故的发生，本文介绍了基于超声波法对GIS局部放电的检测。

关键词：局部放电；GIS；超声波法

0　引言

SF6气体绝缘组合电气设备（GIS）因其故障率低、免维护等特点而在电力系统中被广泛使用。但是，GIS具有全封闭的特殊性，使得除了进行微水检测等少数试验项目外，现行的高压试验的大多数项目无法应用于GIS，长期以来，它几乎处于无维护状态。因此，目前国内外广泛采用局部放电超声波检测技术等非电量测量法来检测GIS故障，为提前发现可能出现的异常和故障提供预警，及时进行处理。

1　GIS局部放电的原因

在GIS的各类故障中，绝缘故障占有较大比例。导致这些绝缘故障的主要是一些绝缘缺陷，如内部故障缺陷、自由颗粒、毛刺、接触不良、固体绝缘表面脏污等。在高电压作用下，随着这些微小缺陷的逐渐扩大，会使放电所产生的电荷在固体绝缘表面逐渐积累，导致电场分布的严重畸变。造成绝缘击穿和沿面闪络。局部放电是GIS发生绝缘故障的先兆和表现形式。GIS局部放电产生的原因有以下几种（如图1所示）。

（1）固定缺陷。其中包括导体和外壳内表面上的金属突起，以及固体绝缘表面上的微粒。金属突起通常是在制造不良和安装损坏擦划时造成的，导致毛刺且较尖。在稳定的工频状态下不引起击穿，但在快速电压如冲击、快速暂态过电压（VFTO）条件下则很危险。

图1　局部放电产生的原因

（2）GIS腔体内可以移动的自由金属微粒。金属微粒是最普遍的微粒，在制造、装配和运行中均有可能产生，它有积累电荷的能力。在交流电压场的影响下能够移动，当靠近高压导体且并未接触时，放电最可能发生。

（3）传导部分的接触不良。如静电屏蔽和其他浮动部件，这些浮动部件产生的放电通常比较大，通常易于检测，放电趋向于反复。

（4）绝缘子制造时内部空隙和实验闪络引起的表面痕迹，此外，因环氧树脂与金属电极的收缩系数不同，也会形成气泡和空隙。这些GIS的绝缘缺陷类型极有可能会在GIS中产生局部放电现象，在绝缘体中的局部放电甚至会腐蚀绝缘材料，进一步发展成电树枝，并最后导致绝缘击穿（表1）。

表1　绝缘破坏过程

可以看出，必须把局部放电限制在一定的水平之下。对电力设备进行局部放电试验，不但能够了解设备的绝缘状况，还能及时发现许多有关制造和安装方面的问题，确定绝缘故障的原因及严重程度。

2　局部放电的检测方法

局部放电的检测以局部放电所产生的各种现象为依据，通过表述该现象的物理量来表征局部放电的状态。局部放电过程除了伴随着电荷的转移和电能的损耗之外，还会产生电磁辐射、超声波、发光、发热以及出现新的生成物等。因此与这些现象相对应，局部放电的检测方法可分为电气测量法和非电测量法两大类。其中电气测量法主要包括脉冲电流法、无线电干扰法、超高频检测法等，而非电测量法则主要包括光测法、化学检测法、超声检测法等。本文主要介绍超声检测法。当设备局部放电时会伴有发声现象。可通过将超声波传感器安装在电力设备外壳上检测局部放电产生的声信号，达到检测目的。该方法抗电气干扰的能力强，可对GIS、变压器等电气设备的局部放电进行检测和定位。

3　超声波法检测局部放电概述

在局部放电发生时，放电区域内分子间会剧烈撞击，同时介质由于放电发热而瞬间体积发生改变，这些因素都会在宏观上产生脉冲压力波，超声波就是其中频率大于20 kHz的声波分量。

由于声电传感器效率的提高和电子放大技术的发展，声测法的灵敏度有很大提高。另外，根据超声波的定向传播特性，在一定的介质中有一定的定向传播速度，可用来测定放电源位置，以进行后续的检修整改。图2给出了超声波检测GIS局部放电的原理。

超声波法检测GIS局部放电的特点包括：

（1）设备使用简便，技术相对比较成熟。利用超声波传感器贴在接地的GIS外壳上进行检测（测量频率一般为20~100 kHz），对GIS的运行和操作没有任何影响，传感器与检测设备之间采用光纤连接，使设备和测量人员的安全可以得到保证。

图2　超声波检测GIS局部放电的原理

（2）抗干扰能力比较强。由于测量的是超声波信号，因此对电磁干扰的抗干扰性能比较强，但易受机械或电磁振动的影响；对自由颗粒缺陷具有较高的检测灵敏度，但对固体绝缘表面及内部的缺陷敏感度较低；能发现弹垫松动、粉尘飞舞等非放电性缺陷。

（3）可定位放电源位置。利用局部放电时所产生的电信号和声信号之间的相对时间差，声信号和声信号之间的时间差对放电源进行空间定位。同时，超声波在传播过程中衰减很大，检测范围较小，当测量点接近缺陷时，测量灵敏度高，在测量点远离缺陷的情况下，灵敏度大为降低，也可利用这个特性可对放电源进行定位。

4　超声波检测现场应用

4.1检测前准备工作

（1）试验前保证室内通风15min，且SF6泄漏检测系统无报警。

（2）确定间隔和设备是否带电，所有设备应带电（高压）测试，不带电的设备不必测量。

（3）环境噪声最小化。GIS或其邻近的各种机械工作、仪器操作者以外的其他人不得攀登GIS、风扇等，这都会影响测量结果，并降低灵敏度。

（4）在GIS所处范围测量背景噪声。测量前把传感器自由地放在空气中，记下连续测量方式时显示屏上的显示值。这个方法得到了背景噪声水平，在整个测量过程中都应记住这个值，以对数据合理性进行分析。

4.2传感器安装

测试时利用声耦合硅胶使传感器与壳体接触良好并保持静止状态，必要时用绑带固定以保持一定的张力，主要目的是为了避免在传感器和壳体表面之间产生气泡。下文以AIA-2超声波局放带电测试仪为例，介绍超声波法在现场测试中的应用。

4.3信号的测量与分析

AIA超声波局部放电测试仪有连续、相位和脉冲3种测量模式。连续测量模式以水平柱的方式给出了一个工频周期中放电信号有效值和峰值信号以及信号与50 Hz、100Hz的相关程度，其中周期峰值与有效值之比大于局放量，较弱的放电（凸起）一般表现为50 Hz成分较高，松动的屏蔽则表现为较高的100 Hz成分，同时也有一些50 Hz成分。如果周期性峰值和有效值的绝对幅值高、比值大且发散性大，同时50/100Hz相关性很小，则应判断为颗粒信号，切换至脉冲信号方式下继续测量，该模式下给出了信号幅值与飞行时间的关系；相位模式主要用来判断放电是否和工频周期存在关系。

4.4测量方式

超声波法对毛刺尖端、自由金属颗粒、悬浮电位等缺陷具有较高的灵敏性，而对绝缘子气泡和绝缘子表面颗粒等缺陷不敏感。为了对绝缘状态作出初步评估，用AIA-2进行的所有测量都应使用连续方式，这是定位局部放电也是估计危险性的主要测量方式。如果存在某种类型的颗粒，危险性的估计要利用飞行时间图进行。

4.5缺陷类型分析

4.5.1 GIS中没有缺陷

大多数情况下在GIS中完全没有缺陷。使用连续测量方式的要点是区分各类噪声和来自缺陷的真正信号。在开始测量前，最好首先测量背景噪声，这些结果在GIS带电状态下测量时应当记住。当传感器自由地处于GIS的空气中或位于GIS上没有缺陷的地方时，如图3所示：有效值和周期峰值小而稳定。信号是来自环境、仪器噪声和放大器噪声等产生的背景噪声,两个水平柱只有小小的颤动，频率1和频率2没有信号。

图3　无缺陷时连续模式图

4.5.2毛刺放电

毛刺如果大于1~2mm就认为是有害的，表现为接地体和带电体部分突起的特征局部场强增加。如图4，毛刺放电在连续模式下有效值和峰值都会增大，信号稳定，而50 Hz相关性明显，100 Hz相关性较弱。在相位模式下，一个周期内会有一簇较集中的信号聚集点。

图4　毛刺放电连续模式图和相位模式图

4.5.3自由颗粒

有数据表明，导致GIS故障的缺陷大部分为颗粒，而超声波检测对颗粒有着极高的灵敏度。自由移动颗粒越长且越接近高压导体，危险性越大，若存在于绝缘子上，则随着时间的推移也可能使绝缘子表面劣化，从而引起闪络。

图5是用连续方式测量出300 kVGIS中有5mm铝颗粒，可以看到放电有效值、峰值量都比较大，还有50 Hz以及100 Hz的放电信号，但其信号不稳定，表现为周期性的波动。飞行时间图里面，颗粒超声幅值和飞行时间以抛物线方式跳动。

4.5.4悬浮电位

如图6所示，悬浮电位故障在连续模式中有效值和峰值都会增大，信号稳定，而100 Hz相关性明显，50 Hz相关性较弱，在相位模式下，一个周期内会有两簇较集中的信号聚集点，这也是其周期性的另一个表现。经验表明，电位悬浮一般发生在开关气室的屏蔽松动，PT/CT气室绝缘支撑松动或偏离，母线气室绝缘支撑松动或偏离，气室连接部位接插件偏离或螺母松动等。

图5　自由颗粒连续模式图和飞行时间图

图6　悬浮电位连续模式图和相位模式图

4.6缺陷案例分析

以下是对某35 kVGIS站内故障相进行超声波局放测量，结果见图7。

从图7可以看出该故障相检测局放有效值、峰值、50 Hz、100 Hz频率相关性信号的4项数值均呈现幅度过大现象，再经脉冲和相位模式下的测量如图8。

由图8看出，在脉冲和相位测量方式之下，根据连续测量并取1 000个测量点后，观察结果表明，该超声信号为大的电晕。从相位相关性看，该超声信号的不稳定，有时表现为强的电晕，有时为较特别的现象。可以得出的结论是，该设备内有大的电晕，也有复杂现象，有时内部比较安静，应立即进行解体检查。

在后面进行的解体检查中发现，A相转角处绝缘子安装位置不对，导致悬浮放电。该绝缘子的一个支撑脚处已出现较为明显的放电痕迹。同时，放电点附近还有不少放电产生的金属氟化物粉末，即探测中自由移动的颗粒。

图7　故障连续模式图

图8　飞行时间图和相位模式图

5　影响GIS局部放电超声波检测的因素

5.1背景噪声的影响

在测试GIS局部放电的时候，测试结果往往会受到背景噪声的影响。所以，滤除背景噪声是非常必要的。

5.2传感器的影响

传感器的测试精度以及检测频段会给测试结果带来一定的影响。另外，由于GIS的筒壁是圆弧形

的，所以，传感器必须紧贴GIS筒壁，否则会引入外来干扰，影响测试结果。

5.3测试人员的影响

由于目前GIS局部放电测试没有统一的标准，现场状况也各不相同，所以，测试时需要测试人员具有一定的判断经验。

6　总结

超声波检测技术对高压电气设备的检测具有易于实现带电检测、便于空间定位、抗干扰能力较强等特点。目前利用超声波法测量局部放电的主要局限性是不能进行定量分析，检测灵敏度不是很高。对于检测来自绝缘材料内部的缺陷，虽然绝缘体内部缺陷将使放电上升、产生电树枝，并可能引起击穿，但由于绝缘固体中超声波信号衰减很大，故超声波检测法很难检测到绝缘材料中的缺陷等。并且由于声波在传播途径中衰减、畸变严重，声测法基本上不能反映放电量的大小。

在今后的高压电气设备局部放电检测方法中，超声波与其他电量信号的联合检测方法将成为在线检测的主要发展方向。

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中图分类号：TM595

文献标识码：A

文章编号：1672-5387（2015）08-0027-05

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.08.008

收稿日期：2015-05-04

作者简介：穆强（1991-），男，助理工程师，从事高压试验工作。